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--- 运算放大器 [2023/05/23 09:52]
meiling
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-#什么是运算放大器？
-## 运算放大器和比较器？
-### 什么是运算放大器？
-运算放大器(Operational Amplifier)是一种差分放大器，具有高输入电阻、低输出电阻、高开放增益（开环增益），并具有可放大+输入引脚与-输入引脚间的电压差的功能。
-每个电路由正侧电源引脚、负侧电源引脚、+输入引脚、-输入引脚、输出引脚等5个引脚构成。
-  * 通常电源、输入、输出分类以外的引脚名称未进行统一
-**运算放大器、比较器的图解符号**
-{{ ::op_what1_01_.jpg |}}
-**运算放大器的电源引脚名称示例**
-{{ ::op_what1_02_.jpg |}}
-运算放大器要求的功能有高输入电阻（阻抗）和低输出电阻。 在下图【电压控制电压源放大器模型】中，输入电压和输出电压的关系如以下公式所示。
-**电压控制电压源放大器模型**
-{{ ::op_what1_03.jpg |}}
-{{ ::op_what1_img_01.png |}}
-信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。
-但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。
-关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
-此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。
-这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
-一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。
-{{ ::op_what1_06.jpg |}}
-信号电压Vs是通过电阻分压由信号源电阻Rs和运算放大器的输入电阻Ri分压而得，因此衰减的信号被输入运算放大器。
-但是，当Ri远远大于Rs(Ri=∞)时，公式的第1项可视作近似于1、Vs=Vi。
-关于以下第2项，放大了的输入电压AvVi被运算放大器的输出电阻Ro和负载电阻RL分压输出。
-此时，当Ro远远小于RL(Ro=0)时，第2项可近似于1，信号可在不衰减的状态下输出。
-这样的运算放大器被称为理想运算放大器。
-一般希望运算放大器具有高输入电阻、低输出电阻，尽量设计为接近理想运算放大器的电路结构。
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-运算放大器按其放大率放大引脚间的电压差，因此输出电压表示如下。
-{{ ::op_what1_img_02.png |}}
-当运算放大器的开放增益Av足够大时，可视为左边近似于0、Vs=VOUT。
-增益较低时，公式左边不可近似于0，这样，输出电压会发生误差。
-之所以希望运算放大器有高开放增益，是因为通过该增益可尽量缩小输出电压误差。
-高开放增益从其他角度来看，意味着应尽量减小+输入引脚和-输入引脚间的电位差。即，开放增益越大，VIN+=VIN-的关系成立的可能性就越大。该+输入引脚和-输入引脚的电位基本相等的关系被称为虚短、虚断或虚拟接地。
-构成负反馈电路使用时，该关系成立，可利用虚拟接地的特性设计应用电路。
-### 什么是比较器
-比较器(Voltage Comparator)的引脚结构与运算放大器相同，即由+输入引脚、-输入引脚、正侧电源引脚、负侧电源引脚、输出引脚等5个引脚构成。 该电路使用任一输入引脚为基准引脚来固定电压，放大该基准电压与输入另一个引脚的电压间的差，输出High或Low。
-+输入引脚的电位 > -输入引脚的电位成立时，输出High级
--输入引脚的电位 > +输入引脚的电位成立时，输出Low级
-运算放大器与比较器的很大差异是有无相位补偿电容。
-由于运算放大器构成负反馈电路使用，因此需要在IC内部设置防振相位补偿电容。
-而比较器未构成负反馈电路，因此未内置相位补偿电容。
-由于相位补偿电容限制了输入-输出间的响应时间，因此无相位补偿电容的比较器具有比运算放大器更好的响应性。
-另一方面，根据该相位补偿电容的有无，将运算放大器作为比较器使用时，因受相位补偿电容限制，其响应性远远低于比较器。
-运算放大器作为比较器使用时需要注意。
-[[https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/amp_linear/common/opamp_comparator_tutorial_appli-e.pdf|运算放大器比较器基础]]
-## 运算放大器、比较器的电路结构
-###  运算放大器、比较器的电路结构
-运算放大器的内部电路结构如下所示。
-一般由输入段、增益段、输出段等3段电路构成。输入段由差分放大段构成，用于放大两个引脚间的电压差。 另外，同相信号成分（引脚间无电位差，输入相等电压的状态）不放大，起抵消作用。若仅靠该差分放大电路，则增益不足，因此使用增益段进一步增加运算放大器的开放增益。普通运算放大器的增益段间连接了防振相位补偿电容。为了避免因受输出引脚上连接的电阻等的负载的影响使运算放大器的特性发生变化，作为缓冲器连接了输出段。负载引起的输出特性的变化（失真、电压下降等）主要由输出段的电路结构和电流能力决定。
-一般输出段的种类有A类、B类、C类、AB类输出电路，这是根据输出电路中流动的驱动电流量（偏压的差别）进行分类的。根据驱动电流量的不同，输出段发生的失真系数水平会发生变化。一般电路失真的顺序从小到大依次为A类、AB类、B类、C类。
-{{ ::img_01.gif |}}
-### 比较器的电路结构
-比较器的电路结构如下所示。
-电路结构基本与运算放大器相同，但由于未考虑构成负反馈电路使用的情况，因此未内置防振用相位补偿电容。
-由于相位补偿电容可限制输入输出间的工作速度，因此与运算放大器相比，响应时间明显提高。
-比较器的输出电路形式主要分为集电极开路（漏极开路）型和推挽输出型。
-虽表示为BA10393的内部等效电路，不过这也是集电极开路型的输出电路。
-{{ ::img_02.gif |}}
-## 运算放大器（运放）的分类
-### 双电源 / 单电源 / 轨到轨运算放大器
-根据输入/输出电压范围的差异，运算放大器（运放）大致分为“双电源运算放大器”、“单电源运算放大器”、“轨到轨运算放大器”三种类型。每种运算放大器的输入/输出电压范围如下图所示：
-{{ ::img_01_2.jpg |}}
-=== 双电源运算放大器 ===
-由于运算放大器通常会放大接近0V的微小信号，因此当双电源运算放大器需要0V的输入时，就需要将VEE设置为负1.5V以下。正因为此，在大多数情况下需要使用负电源，并且需要正负两种电源，故被称为“双电源运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/dual-supply-voltage|低噪声电源运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-offset-voltage/dual-supply-voltage|低失调电压双电源运算放大器 （产品搜索）]]
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-=== 单电源运算放大器（接地检测） ===
-当输入接近0V的信号时，如果使用双电源（通用）运算放大器，就需要负电压；而单电源运算放大器是一种无需使用此负电压也可以输入的运算放大器。因其可以检测到接地电平的输入信号，故也被称为“接地检测运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/ground-sense|通用接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-speed/ground-sense|高速接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-power/ground-sense|低耗电量接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/ground-sense|低噪声接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-performance|高性能接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
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-=== 轨到轨运算放大器（输入输出满摆幅） ===
-随着近年来节能化趋势的发展，采用低压驱动方式的设备越来越多。运算放大器也同样需要在低电压下工作，但是如果VCC电压降至5V附近，则单电源运算放大器只能输入最高比VCC低1.5V的电压，存在不便之处。于是，出现了即使输入电压从VEE到VCC波动也可以正常工作的轨到轨运算放大器。
-因其可以在电源电压（VEE～VCC）范围内进行输入/输出，故也被称为“输入/输出满摆幅运算放大器”。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-speed/input-output-full-swing|高速输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-power/input-output-full-swing|低耗电量输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise/output-full-swing|低噪声输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-offset-voltage/input-output-full-swing|低失调电压输入输出满摆幅运算放大器 （产品搜索）]]
-如欲了解各种运算放大器的应用电路示例，请参阅以下链接中的应用指南。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/search/application-notes?Category=Application%20Note&Category1=%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%97%20%2F%20%E3%83%AA%E3%83%8B%E3%82%A2|运算放大器的应用电路示例（应用指南）]]
-## 噪声特性
-随着产品的电子化和高密度化发展，噪声环境变得越来越差，对于放大传感器等微小信号的运算放大器来说，降噪对策已经成为重要课题。
-近年来，已经推出了很多抗雜訊运算放大器，市场对这类产品的需求也与日俱增。在这里介绍一下这些噪声的定义。
-### 噪声特性
-噪声通常被称为“EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）”，是指“不对其他设备产生噪声干扰；即使受到来自其他设备的噪声干扰，仍保持原有的性能”这两种性能。但是，在现场中具体使用时，使用“EMI”和“EMS”这两种由EMC分类出来的表达方式。
-{{ ::zaosheng_01.jpg |}}
-=== EMI　电磁干扰 ===
-EMI是用来衡量对象产品的运行产生多少噪声、是否给外围IC和系统带来问题的指标。“良好的EMI特性”意味着产生的噪声很少。
-运算放大器的噪声被称为“等效输入噪声电压”，是由电路和工艺因素引发的。该噪声在放大信号时成为误差电压，并影响放大的精度。
-{{ ::zaosheng.jpg |}}
-ROHM拥有丰富的低噪声运算放大器产品阵容。如欲获取详细信息，请点击产品页面。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/high-performance/ground-sense|高性能CMOS接地检测低噪声运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/low-noise|低噪声运算放大器 （产品搜索）]]
-=== EMS　电磁敏感性 ===
-噪声干扰可能会引发IC或设备发生误动作。
-EMS是用来衡量对象产品即使受到噪声干扰也不会发生误动作的能力和抵抗力的指标。因此，“良好的EMS特性”意味着不容易受到噪声的影响。
-在运算放大器行业，“EMS特性良好且不易受噪声影响”这一特性，因其具有出色的抗外部噪声电磁干扰（EMI）能力而被表述为“抗EMI性能优异/出色”“抗电磁干扰能力好。
-<WRAP centeralign round box 100%>
-**“EMS特性良好” = “抗EMI性能出色”**
-</WRAP>
-换句话说，抗EMI性能出色的运算放大器是指不易受外部噪声影响的运算放大器。
-{{ :img_03.jpg |}}
-ROHM还拥有抗EMI性能出色的运算放大器产品阵容。如欲获取详细信息，请点击产品页面。
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/emi-automotive|抗EMI性能出色的接地检测运算放大器 （产品搜索）]]
-  * [[https://www.rohm.com.cn/products/amplifiers-and-linear/operational-amplifiers/standard/emi-automotive-input-output-rail-to-rail|抗EMI性能出色的Rail-to-Rail运算放大器 （产品搜索）]]
-## 代表性参数（放大率和电压增益）
-### 放大率和电压增益<放大率和电压增益>
-若给放大电路的输入增加电压，则在其输出时，会出现输入电压放大率的倍数。该放大率用输出电压的大小除以输入电压的大小所得的值表示。
-若将输入电压表示为Vs 、输出电压表示为Vo 、放大率表示为Av，则可定义如下。
-{{ ::img_01_1_.gif |}}
-### 什么是分贝（dB）？
-放大率常用对数的20倍用分贝[dB]单位表示。
-例如，运算放大器的开放增益为100000倍(105倍)时，可将其用分贝表示如下。
-{{ ::da_what3_02.jpg |}}
-这样，即使是有10的多个次方的庞大放大率，若使用分贝表示，就可表示为较小数值100[dB]。
-另外，以下整理了表示模拟电路所需的各种单位。
-**(a) dB ： 2个量之比的对数的10倍或20倍。**
-{{ ::img_02_1_.gif |}}
-**(b) Vp-p ： 波形的最大值与最小值之差。**
-**(c) Vrms ： 有效值 平方均值的平方根。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-Vrms = 2√2
-</WRAP>
-**(d) dBV ： 以1Vrms为基准的表达式。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dBV= 1Vrms
-</WRAP>
-**(e) dBm ： 以对某负载产生1mW的功率的电压为基准。
-普通负载的值多为50Ω、600Ω等。**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dBm=0.224Vrms （负荷为50Ω时）
-dBm=0.775Vrms （负荷为600Ω时）
-</WRAP>
-**(f) oct ： 为"倍频程"，1oct表示某频率的2倍的值。**
-**-6dB/oct表示频率为2倍时，降低6dB。**
-**(g) dec ： 为"十倍频程"，1dec表示某频率的10倍。**
-**-20dB/oct表示频率为10倍时，降低20dB。**
-**※根据(f)、(g)、 -6dB/oct= -20dB/dec。**
-**(h) dB（分贝）计算基础**
-<WRAP centeralign round box 100%>
-dB ≒ 1.41倍 ≒ √2
-dB ≒ 2.00倍
-dB ≒ 3.16倍
-dB ≒ 10倍
-ex)16dB=10dB+6dB → 3.16×2=6.32倍
-</WRAP>
-## 代表性参数（输入偏置电压）
-输入偏置电压是指有差分输入电路的运算放大器或比较器带有的误差电压。理想运算放大器或比较器的偏置电压为0V。
-给运算放大器或比较器的输入引脚输入同相（相同）电压时，理想运算放大器不会输出偏置电压，但存在输入偏置电压时，就会输出与输入偏置电压相应的输出电压。
-将该输出电压控制为0V所需的输入引脚间的电压差被称为输入偏置电压，该值为输入换算值。
-作为输入换算表示的优点是，由于运算放大器、比较器可在各种放大率或电路结构中使用，若作为输入换算电压表示，那么就可以轻松地估量其对输出电压的影响。
-偏置电压的单位一般表示为[mV]或[µV]。
-值越接近0越趋于理想状态。
-{{ ::op_what4_01_.jpg |}}
-在同相输入范围外的领域，偏置电压急剧增加，此领域内不再作为运算放大器或比较器进行工作。
-另外，对偏置电压的出现频率进行观测，发现其以0V为中心正常分布。 即，在规定范围内随机分布。
-通常，规格值的表示以绝对值记载，因此实际上具有+极性和-极性两种偏置电压。
-## 转换速率SR (Slew Rate)
-转换速率是表示运算放大器的工作速度的参数。
-表示输出电压在规定的单位时间可变化的比例。
-例如，1[V/µs]表示在1[µs]内可使电压发生1[V]的波动。
-理想运算放大器可忠实地输出任何输入信号对应的输出信号，但实际上还存在一种叫做转换速率的限制。
-给输入施加上升沿和下降沿比较陡峭的矩形波脉冲时，表示输出电压在单位时间内可发生什么程度的变化。下图表示转换速率的定义。
-**【转换速率测量电路和波形图】**
-{{ ::op_what5_cn_1_.png |}}
-上升沿和下降沿的转换速率按下式计算。
-{{ ::op_what5_cn_3_.gif |}}
-转换速率按"上升沿"或"下降沿"中较慢的一方为基准进行规定。
-因此，表示运算放大器输出信号的斜率的最大值。
-对于波动更剧烈的信号，输出波形难以跟随而发生变形。构成放大电路时，转换速率是输出变化的比例，因此不会发生变化。
-运算放大器用于直流、交流两者的信号放大。
-运算放大器受响应速度限制，并非可处理任何信号。
-在上图所示的电压跟随器结构中，直流电压输入受到输入电压范围和输出电压范围的限制。
-此外，带有频率的交流信号还受到增益带宽积和转换速率的制约。
-此处对振幅与频率的关系，即转换速率加以考虑。
-求运算放大器可输出的最大频率。
-**【正弦波】**
-{{ ::op_what5_cn_2_.png |}}
-求输出右图所示波形所需的转换速率。
-<WRAP centeralign>
-y=Asinωt
-</WRAP>
-转换速率是正弦波的切线的斜率，故对上式进行微分。
-{{ ::op_what5_cn_4_.gif |}}
-转换速率为
-<WRAP centeralign>
-SR=Aω　ω=2πf
-</WRAP>
-再者，正弦波的振幅是峰间值，VPP=2A，因此，可进行如下变形。
-{{ ::op_what5_cn_5_.gif |}}
-该频率f被叫做全功率带宽。
-它们处于运算放大器未设定放大率的状态，即电压跟随器中运算放大器的可输出振幅（在输出电压范围内）与频率的关系。
-**例）在SR=1V/µs的运算放大器中，可输出1VPP信号的频率为**
-{{ ::op_what5_cn_6_.gif |}}
-振幅保持不变且超过上述求得的频率时，波形受转换速率限制，正弦波变为三角波，发生失真。
-## 负反馈系统及其效果
-### 负反馈系统
-运算放大器是具有高电压增益的放大器，但几乎不是运算放大器单体进行放大。
-原因是开环增益存在偏差，或带宽较窄，难以控制放大率。
-因此，一般构成负反馈电路后使用。
-下图表示负反馈系统的模型。
-{{ :op_what6_01.gif |}}
-构成负反馈电路可举出以下几个优点。
-**[构成负反馈电路的优点]**
-  - 放大电路的增益固定的领域（带宽）可得到扩展
-  - 由于构成了负反馈电路，使运算放大器的开环增益的偏差影响变小
-  - 可抑制失真
-=== 1.放大电路的增益固定的领域（带宽）可得到扩展 ===
-首先求出该模型的输入与输出的关系，即传递函数。
-{{ :op_what6_02.gif |}}
-AO ： 运算放大器开环增益
-β ： 反馈率
-+βA(s) ： 反馈量
-环路增益 ： βA(s)
-另外如下式所示，运算放大器具有1阶滞后传递函数。
-{{ :op_what6_03.gif |}}
-上图的频率特性用上式关系进行了解释。
-可以发现，由于采用了负反馈，增益变小，变为反馈量的 1/(1+βAO)，带宽从ωO扩大到了 ωO(1+βAO)。
-=== 2.由于构成了负反馈电路，使运算放大器的开环增益的偏差影响变小 ===
-在输入与输出的传递函数公式中，假设运算放大器的开环增益足够大，即AO>>1，则低频的负反馈电路的增益可近似于1/β。
-即运算放大器的开环增益较大时，反馈电路的增益与运算放大器的增益无关，仅由反馈率决定。
-同样，反相放大器等的放大电路的低频放大率仅由外置电阻决定。
-另外，运算放大器的开环增益足够大即AO>>1 时，即便因温度特性或制造偏差而使运算放大器的开环增益多少发生变动，所受的影响也比较小。
-{{ :op_what6_04.gif |}}
-=== 3.可抑制失真 ===
-下图表示含有误差要素的反馈电路。
-此处将运算放大器中发生的误差要素表示为VD。
-含有失真、误差电压、噪音等要素。
-{{ :op_what6_05.gif |}}
-下式表示含有失真的传递函数。
-如公式所示，增益A(s)越大 VD项越小，这样可抑制误差。